兼具现代超结器件和传统高压MOSFET优点的新一代CoolMOS™系列

作者：Holger Kapels博士和Gerald Deboy博士，英飞凌科技股份公司

自1998年进入市场以来，超结器件（SuperJunction）在高压MOSFET市场上所占的份额稳步上升。多年以来，此类产品的厂商竞相减低单位面积上的较低导通电阻R_DS(on)。在特定硅面积的情况下，持续降低导通电阻也使得器件的开关速度不断提高，从而降低应用上的开关损耗。但高开关速度，也增加了应用难度。

在目前的开关电源应用中，开关速度本身已经不是制约效率提高的因素。因此，除了对开关器件本身进行优化之外，还需要全盘考虑整个系统。

英飞凌的新一代CoolMOS™C6系列高压MOSFET既具有现代超结晶体管的优点，如极低的单器件导通电阻和低容性损耗，又加强了开关控制性能和体二极管硬换流抗受能力。

概述

CoolMOS™ C6乃英飞凌向市场推出的新一代高压MOSFET。第一代S5产品的导通电阻很低，已经突破了硅极限。下一代C2产品和在市场上广受欢迎的C3系列产品，特别是CoolMOS™ CP系列产品，不仅更降低了导通电阻，也具备了更快的开关速度。C3为通用功率器件，本身已经成为一种标准。而CP则适合同时要求较快开关速度和超低导通电阻的各种应用_。由于CP系列产品可达到极高的开关速度，应用上需要对电路板布局和布线加以特别注意，避免栅极和源极电路中产生寄生电容和电感。因此，CP系列产品在高效率应用上仍然保持着标杆地位。

英飞凌推出新的CoolMOS™ C6产品系列的目的在于，使客户更容易更有效的控制开关速度，大幅提升其抗电路板寄生电感和电容的性能，从而显著提高该器件适应各种非理想电路环境的能力，并保持了CP产品系列各种优势（如超低的导通电阻）。

工作原理

Coe和Fujihira发明了超结理论，这标志着高压MOSFET领域取得了实质性突破。早在上个世纪70年代，飞利浦的研究人员就发现，在N型导电有源区平行地添加一层P掺杂层，可以显著提高横向晶体管的击穿电压。这个在其著作中被称为“降低表面电场”或RESURF原理的概念，被应用于多水平层和垂直功率MOSFET。但是，这些结构的制造非常困难，直至1998年，CoolMOS™的引入才彻底解决了商业量产的难题。

图1：传统高压MOSFET（左）与电荷补偿或超结器件（右）的结构比较

如图1所示，根据SJ原理，可以加深P导电区，以提高电流传导区的掺杂浓度，从而显著降低单位面积导通电阻。在导通状态，这种高N掺杂浓度对器件有利；而在关断状态，附加的P掺杂区对高N掺杂浓度进行补偿，使其达到与高关断电压相适应的水平。因此，利用这种概念可以突破所谓的硅极限。硅极限指传统MOSFET在给定电压等级时的较佳理论导通电阻。

单位面积导通电阻的降低，既可以在给定封装下达到极低的导通电阻，又可以在极小的半导体芯片尺寸中实现给定的导通电阻。在封装尺寸一定的情况下，极低的导通电阻，可以构建更紧凑、高效的电源。但是此优点也给器件概念方面带来两个固有的挑战：第一，器件在异常工作条件下能处理的功率损耗降低；第二，由于器件电容较低，开关速度上升。

在使用硬开关关断期间，如果栅极驱动电阻小，负载电流及时换流，对输出电容进行充电直至直流母线电压。电压上升与负载电流成比例，并与输出电容的容值成反比。由于输出电容呈非线性，高压时容值较小，所以在单端应用场合，电压接近母线电压时开关速度达到较高。采用这种控制方式时，开关速度仅受器件源极电感的限制，因此开关速度极高，特别是工作在峰值电流条件（如交流断电或副边短路）时，情况尤其如此。不过为达到较高的效率，应用上往往采用较低的栅极电阻，放弃部分的开关控制，以达到较高的开关速度。与此相反，利用高阻值栅极电阻实现的低速开关，使器件在整个关断瞬态保持准线性状态。在这种模式下，可实现对dv/dt和di/dt的完全控制，然而效率会显著降低。

CoolMOS™ C6采用了新的栅极电荷、转移特性和结构组合，使其具有适中的开关速度，避免了因开关速度太高而产生的电流或电压过冲，却仍然可以在非零寄生环境中获得较佳效率。如图2所示，C6有着较低的输出电容储存能量（Eoss）。Eoss是一种对硬开关应用环境中的轻载效率的重要指标——在硬开通期间，这种能量被转换为热能消耗掉，因此它在器件的整体功耗平衡举足轻重。

在LLC变换器等谐振型拓扑结构中，中点电压从直流母线电压摆动到零所需的时间与存储在输出电容中的能量同等重要。该时间可以用积分Qoss来推导。

即

从图2中同样可以看出，C6系列产品有较低的Qoss。所以CoolMOS™ C6系列产品有较低的充电时间和极低的能量Eoss。它们决定了在给定谐振器件和磁化电流时的零电压开关点。

图2：不同器件家族输出电容中存储电荷E_oss（右侧参考轴，虚线）和电荷Q_oss（左侧参考轴）之间的比较

谐振型拓扑结构的另一个十分重要的参数是对出错状态的抗受能力，如对内部体二极管硬换流的抗受能力。例如，LLC变换器在启动和负载跳变期间会出现此类情况。如图3所示，CoolMOS™ C6内部体二极管的反向恢复电荷比C3系列产品下降了大约25%。在进行换流试验过程中，器件表现出了出色的出错状态抗受能力，而且，在开关晶体管和二极管采用同样器件的情况下，CoolMOS™ C6器件几乎不可能被毁坏。因此，在大多数情况下，可以不使用昂贵的寄生了快恢复体二极管型的MOSFET。

图3：不同产品系列在体二极管以额定电流进行硬换流期间的反向恢复电流波形

试验结果

为了验证硬和软开关应用中的系统效率，我们在功率因素校正（PFC）电路和LLC变换器中对新型功率半导体器件家族进行了测试。

PFC电路的开关频率为130kHz，输出功率为300W。选择PFC电感使PFC级始终工作在连续电流模式，即使在输入电压高达230V时也不例外。为了便于比较，使用了三种不同的600伏190毫欧超结器件。在满负载以及输入电压分别为90V AC（大图）和230V（右上侧插图）情况下，PFC级的效率随栅极电阻变化的情况如图4所示。

图4：在硬开关、连续电流模式驱动PFC级的条件下，CoolMOS™ C6系列产品与C3和CP产品系列实测效率的比较。大图：满负载，线电压为90V AC；右上侧小图：满负载，线电压为230V AC。

新型CoolMOS™ C6产品系列的效率显著高于前代C3系列产品，接近开关速度极快的CP系列产品。对于CoolMOS™ C6产品系列，效率受栅极电阻的影响相对较小。

此外，在应用分析过程中，我们还搭建了一个300W PC电源，包括硬开关、CCM工作的PFC变换器和作为主级的采用谐振工作模式的LLC变换器。LLC级提供±12V的输出电压，5V和3.3 V的输出电压则由12V输出经降压转换器生成。PFC级采用一只600V 199mOhm CoolMOS™ CP，LLC级则采用英飞凌新型的两只600V CoolMOS^TM C6。图5为线电压分别为115V AC和230V AC时的综合效率比较。在输入115V AC，输出50%负载时，效率为92.2%。在20%输出功率的轻载以及满载条件下，效率均达到90.5%。即使在10%负载条件下，总效率也可以达到85%以上。在采用CoolMOS™ C6时，LLC级本身在各种负载条件下的效率分别为：20%负载时，效率为96%；50%负载时，效率为97.2%；满负载时，效率为96.5%。

图5：300W PC开关式电源在线电压分别为115V AC和230V AC时的实测效率比较

结论

新型CoolMOS™ C6产品系列既继承现代超集结器件的各种优势，如低单位面积导通电阻和低容性损耗，又加强了出色的故障时的抗受能力（如体二极管的硬换流），也优化开关控制与开关特性。

特别是对于广泛的中高端应用，如开关电源、适配器、照明、电视和消费产品，目前的CoolMOS™ C6是SMPS设计人员的理想解决方案，可帮助设计人员以紧凑、高效的设计，实现优化的开关和EMI特性。较先向市场推出的产品为600V等级，导通电阻介于70毫欧至3.3欧姆之间。基于同样技术的其他电压等级的产品将随后推出。

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